物理精讀:波的反射和折射

 波的反射和折射是波動的重要現象,常見於聲波、水波和光波等傳播過程中。這些現象描述了波在遇到界面或介質變化時的行為,並能用來解釋自然界中的許多現象。


1. 波的反射(Reflection)

定義
當波遇到障礙物或界面而無法穿透時,波會返回原介質,這一現象稱為反射。

水波反射的特性

  • 當水波撞擊牆壁等固定障礙物時,波會被反射回來,反射波的頻率、波長和速度與原波相同。
  • 反射角等於入射角:反射波與法線的夾角(反射角)等於入射波與法線的夾角(入射角)。

 

水波撞擊牆壁的圖案

  1. 波正交於牆面(垂直入射)
    • 波正交於牆壁入射時,反射波與入射波重疊,形成駐波圖案。駐波表現為波峰與波谷固定不動,能量不斷在局部震盪。
  2. 波斜向牆面(斜入射)
    • 波以斜角撞擊牆壁時,反射波和入射波的路徑對稱於法線,形成特定的交叉圖案

2. 波的折射(Refraction)

定義
當波從一種介質進入另一種介質(如水波從淺水進入深水),波速改變,波的方向也會發生改變,這一現象稱為折射。

水波折射的特性

  • 波速的變化:
    • 在深水中,波速較快;在淺水中,波速較慢。
  • 波長的變化:
    • 波速改變時,波長也會改變,波長在慢速介質中縮短。
  • 折射角與入射角的關係:
    波的折射角可用以下公式表示: 

sin⁡θ1/sin⁡θ2=v1/v2

 
    • 是入射角, 是折射角。
    • v1 和 v2分別是波在第一和第二介質中的速度。

水波從淺水到深水的圖案

  1. 波正交於界面(垂直入射)
    • 如果水波垂直穿越淺水和深水的界面,波的方向不變,但波速和波長都會增加。
  2. 波斜向界面(斜入射)
    • 如果水波以斜角進入深水,波速增加的同時,波的方向會向界面法線偏移,形成明顯的折射圖案。

3. 水波反射與折射的綜合現象

當水波同時經歷反射與折射時,會出現複雜的波動干涉圖案。例如:

  • 當波從淺水以斜角進入深水並撞擊牆壁時,折射波和反射波會交互作用,形成干涉圖案。
  • 這種干涉圖案中可以觀察到明顯的波紋交叉區域,波峰和波谷之間的距離受介質和入射角影響。

總結

  • 反射:波在界面返回原介質,遵守「入射角等於反射角」的規律,水波撞牆時會形成駐波或交叉波圖案。
  • 折射:波進入另一介質時,由於波速改變而改變方向,水波從淺水到深水會向界面法線偏折並延長波長。
  • 綜合應用:反射和折射的現象廣泛存在於聲波、光波和水波中,是解釋自然界波動行為的基礎原理。

這些規律不僅幫助我們理解波的基本特性,還為工程(如聲納和光纖通信)提供了理論支持。

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